CO₂实现高效转化,看看大佬们都在用什么仪器?
近日,多家媒体报道了“大连化物所实现低温、高效、长寿命二氧化碳催化加氢制甲醇”的相关新闻,实际上,早在今年3月22日,该研究成果就已发表在Nature Catalysis上,杂志同期还以“Catalysis by Unusual Vacancies”为题刊发表了评述文章。该成果是由中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室研究员邓德会团队与厦门大学教授王野团队共同合作完成的,首次利用富含硫空位的少层二硫化钼(MoS2)催化剂,实现了低温、高效、长寿命催化CO2加氢制甲醇,其活性与选择性均显著优于商品Cu/ZnO/Al2O3催化剂,并显示出优异的稳定性。该催化剂为实现低能耗、高效率的CO2转化利用提供了新思路。二氧化碳的高效转化利用对实现“碳中和”目标具有重要的战略意义,科研人员对于二氧化碳的研究也从未停止过。CO2的转化和利用不仅可以改善温室效应,储存能量,缓解日益严重的能源危机,还可以转化成燃料以及其他高附加值化学品。去年,英国牛津大学研究人员皮特爱德华及他的同事们设计了一种新型铁基催化剂,可直接捕获大气中的二氧化碳并将其转化为烃类喷气燃料。这种催化剂由地球上丰富的元素组成,制备简单且表现出高活性和高选择性,能最大程度减少高附加值化学品的合成步骤。研究团队在转化过程中还收集到了石油化工行业的其他重要原材料,这些原材料目前只能从原油中获得。新催化剂体系的开发对于CO2催化转化有着重要的推动作用。CO2为非极性线性分子,碳处于最高价态,化学性质稳定。因此,将CO2转化存在较大难度。人工转化CO2主要由热能、电能、太阳能驱动,目前比较成熟的技术有光催化转化、太阳能光热转化、光电协同转化和生物技术转化技术。提高二氧化碳转化效率和反应选择性方面进行的催化剂改良、生物转化途径改进都需要科研人员的不懈努力。光催化转化是以光能为驱动力的氧化还原过程,CO2吸附在光催化材料的反应位点上并与光生电子进行化学反应,从而被还原为小分子碳氢燃料和一氧化碳。下图有目前研发的光催化剂,光催化剂是光催化还原CO2的关键。图1 光催化剂分类太阳能光热转化CO2主要有两种途径:一是利用太阳能聚热体系产生大量热量来直接转化CO2或两步热化学循环分解转化CO2,其实质都是热化学转化;二是在热化学两步循环法转化的基础上,引入光化学反应。光电协同转化是将光催化和电催化相结合形成了光电协同转化。图2 光电协同转化CO2反应过程示意图CO2的生物技术转化会产生更复杂、更有价值的化合物。CO2生物技术转化的特点是活性生物特征和物理化学催化位点的结合。到目前为止,CO2生物技术转化的关键技术主要包括微生物电合成、光合生物混合系统、光系统II复合系统和代谢工程。图3 CO2生物技术转化示意图通过不同方式转化CO2并生产绿色能源来实现绿色环境的建设,推动了能源收集技术的发展。小编还找到了两篇比较新的催化剂研究成果,一篇是武汉理工大学关于CO2光催化转化为CH4的研究成果发布在《Science China-Materials》杂志上,研究者们制备的光催化剂,在可见光照射下进行了高效的光催化CO2还原,另一篇是浙江大学将CO2转化为高附加值产品,发布在《Chinese Journal of Catalysis》杂志。这些转化剂的研究少不了科学仪器的助力,这里介绍几个文章中提到的分析仪器:麦克仪器公司的ASAP 2020M型比表面与孔隙度分析仪(BET)测量氮气吸附等温线赛默飞公司的Talos F200S型透射电镜对催化剂的结构性能进行了表征在赛默飞公司的ESCALAB 250XI型X射线光电子能谱仪上可以采集催化剂的光电子能谱(XPS)岛津公司的UV-3600 Plus紫外-可见-近红外分光光度计可获得催化剂的漫反射光谱(DRS)赛默飞公司的Nicolet iS10型红外光谱仪上获得傅里叶变换红外光谱(FTIR)岛津公司的RF-5301PC荧光光谱仪上可采集光致发光(PL)发射光谱实验使用日本电子Jem‐2100F型场发射电子显微镜测试催化剂的TEM图谱Bruker公司的A-300波谱仪采集电子顺磁共振(EPR)信号麦克仪器公司的全自动程序升温化学吸附仪 AutoChem II 2920使用Bruker Avance-400 (400 MHz)光谱仪记录1H核磁共振(NMR)谱参考文献 [1] Hu, J., Yu, L., Deng, J. et al. Sulfur vacancy-rich MoS2 as a catalyst for the hydrogenation of CO2 to methanol. Nat Catal 4, 242–250 (2021).[2]王锋,周化岚,张建国.太阳能驱动二氧化碳转化[J].自然杂志,2021,43(01):61-70.[3]姜丽莎,李源,吴晓勇,张高科.富氧空位修饰的铋氧硫晶体用于光催化二氧化碳还原转化为甲烷(英文)[J/OL].Science China.Materials:1-12[4]戴志锋,唐永铨,张飞,熊玉兵,王赛,孙琦,王亮,孟祥举,赵雷洪,肖丰收.双中心多孔聚合物作为多相催化剂实现CO2在温和条件下高效转化(英文)[J].Chinese Journal of Catalysis,2021,42(04):618-626.